Для сравнения двух напряжений не обязательно обращаться к операционному усилителю. С подобной задачей вполне может справиться простая и дешевая схема компаратора на транзисторе, которая представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема компаратора на транзисторе.
Транзистор p-n-p типа сравнивает опорное напряжение на эмиттере с частью контролируемого напряжения, поданной на базу через резистивный делитель R1R2.
Когда напряжение на базе падает ниже опорного, транзистор открывается и выход компаратора (коллектор транзистора) переходит в состояние с высоким потенциалом. Такая схема может использоваться, например, для контроля напряжения батареи питания.
Как работает компаратор напряжения
Во многих описаниях компаратор сравнивается с обычными рычажными весами, как на базаре: на одну чашу кладется эталон – гири, а на другую продавец начинает подкладывать товар, например, картошку. Как только вес товара становится равным весу гирь, точнее чуть больше, чашка с гирями устремляется вверх. Взвешивание закончено.
То же самое происходит и с компаратором, только в этом случае роль гирь выполняет опорное напряжение, а в качестве картошки используется входной сигнал. Как только на выходе компаратора появляется логическая единица, то считается, что сравнение напряжений произошло. Вот это и есть то самое «чуть больше», которое в справочниках называется «пороговая чувствительность компаратора».
Проверка компаратора напряжения
Начинающие радиолюбители – электронщики часто спрашивают, как проверить ту или иную деталь. Для проверки компаратора какой-то сложной схемы собирать не надо. Достаточно на выход компаратора подключить вольтметр, а на входы подать регулируемые напряжения, и определить, работает компаратор или нет. И уж, конечно, будет совсем хорошо, если еще не забыть подать на компаратор напряжение питания!
Однако, при этом не следует забывать, что многие компараторы имеют выходной транзистор, у которого выводы коллектора и эммитера просто «висят в воздухе», о чем было рассказано в статье «Аналоговые компараторы». Поэтому, эти выводы надо соответствующим образом подключить. Как это сделать показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема подключения компаратора
На инверсный вход компаратора подано опорное напряжение, полученное с делителя R2, R3 из напряжения питания +5В. В результате на инверсном входе получается 2,5В. Предположим, что движок переменного резистора R1 находится в нижнем по схеме положении, т.е. напряжение на нем 0В. Такое же напряжение и на прямом входе компаратора.
Если теперь вращением движка переменного резистора R1 постепенно увеличивать напряжение на прямом входе компаратора, то при достижении 2,5В на выходе компаратора появится логическая 1, которая откроет выходной транзистор, зажжется светодиод HL1.
Если теперь движок R1 вращать в сторону уменьшения напряжения, то в определенный момент светодиод HL1, несомненно, погаснет. Это говорит об исправной работе компаратора.
Эксперимент можно несколько усложнить: измерить вольтметром напряжение на прямом входе компаратора, и зафиксировать при каком напряжении светодиод засветится, а при каком погаснет. Разница этих напряжений и будет гистерезисом компаратора. Кстати, некоторые компараторы имеют специальный вывод (pin) для регулировки величины гистерезиса.
Для проведения такого опыта понадобится цифровой вольтметр, способный «поймать» милливольты, многооборотный подстроечный резистор и изрядное терпение исполнителя. Если терпения для проведения такого эксперимента недостаточно, можно проделать следующий, куда более простой: поменять местами прямой и инверсный входы, и, вращая переменный резистор, понаблюдать, как ведет себя светодиод, т.е. выход компаратора.
На рисунке 1 показана просто структурная схема, поэтому номера выводов не указаны. При проверке реального компаратора придется разобраться с его цоколевкой (распиновкой). Далее будут рассмотрены некоторые практические схемы и приведено краткое описание их работы.
Часто в одном корпусе располагается несколько компараторов, два или четыре, что позволяет создавать различные устройства, не устанавливая на плате лишних микросхем. Компараторы могут быть независимы друг от друга, но в некоторых случаях имеют внутренние соединения. В качестве такой микросхемы рассмотрим сдвоенный компаратор MAX933.
Компаратор MAX933
В одном корпусе микросхемы «проживают» сразу два компаратора. Кроме собственно компараторов внутри микросхемы имеется встроенный источник опорного напряжения 1.182V. На рисунке он показан в виде стабилитрона, который уже подключен внутри микросхемы: к верхнему компаратору на инверсный вход, а к нижнему на прямой. Это позволяет легко создать многоуровневый компаратор по принципу «Мало», «Норма», «Много» (undervoltage/overvoltage detectors). Такие компараторы называются оконными, поскольку положение «норма» находится в «окне» между «мало» и «много».
Исследование компаратора программой Multisim
На рисунке 2 показано измерение опорного напряжения, произведенного с помощью программы – симулятора Multisim. Измерение проводится мультиметром XMM2, который показывает 1.182V, что полностью соответствует значению, указанному в Data Sheet компаратора. Вывод 5 HYST,- регулировка гистерезиса, в данном случае не используется.
С помощью переключателя S1 можно задавать уровень входного напряжения, причем, сразу на обоих компараторах: замкнутый переключатель подает на входы низкий уровень (меньше, чем опорное напряжение) как показано на рисунке 3, разомкнутому состоянию соответствует высокий уровень, – рисунок 4. Состояние выходов компараторов показываются мультиметрами XMM1, XMM2.
Комментарии к рисункам совсем излишни, – чтобы понять логику работы компараторов достаточно внимательно рассмотреть показания мультиметров и положение переключателя S1. Следует только добавить, что такую схему можно рекомендовать для проверки реального «железного» компаратора.
Схема проверки напряжения
Схема такого компаратора, показанного в Data Sheet, приведена на рисунке 5.
Для выходных сигналов пониженного напряжения (OUTA) и перенапряжения (OUTB) активным уровнем сигнала является низкий, о чем говорит подчеркивание сигналов сверху. Иногда для этих целей используется знак « – » или « / » перед названием сигнала. Эти сигналы можно назвать аварийными.
Сигнал POWER GOOD получается на выходе логического элемента И, когда оба сигнала аварии имеют уровень логической единицы. Активным уровнем сигнала POWER GOOD является высокий уровень.
Если хотя бы один из аварийных сигналов имеет низкий уровень, то сигнал POWER GOOD исчезнет,- станет тоже низким. Это лишний раз дает возможность убедиться, что логическая схема И для низких уровней является логическим ИЛИ.
Рисунок 5. Схема компаратора
Контролируемое входное напряжение подается через делитель R1…R3, величина резисторов которого рассчитывается с учетом диапазона контролируемых напряжений. Методика расчета приведена, даже с примером, в Data Sheet.
Для уменьшения дребезга во время переключения величина гистерезиса задается с помощью делителя R4, R5. Эти резисторы рассчитываются по формулам, также приведенным в Data Sheet. Для указанных на схеме значений, величина гистерезиса составляет 50mV.
Схема управления резервным питанием
Подобные схемы применяются, например, в системах сигнализации. Алгоритм работы этих схем достаточно прост. При пропадании сетевого напряжения охранная система переключается на работу от аккумуляторов, а при восстановлении сети вновь работает от блока питания, при этом осуществляется зарядка аккумуляторной батареи. Для осуществления такого алгоритма надо оценить, как минимум два фактора: наличие сетевого напряжения и состояние аккумулятора.
Функциональная схема управления показана на рисунке 6.
Рисунок 6. Схема управления резервным питанием на одной микросхеме
Выпрямленное напряжение +9VDC через диод подается на стабилизатор напряжения, от которого питается охранное устройство. Делитель R1, R2 является в данном случае датчиком сетевого напряжения, за которым следит нижний по рисунку компаратор с выходом OUTA. Когда сетевое напряжение есть, и находится в пределах разумного, на выходе нижнего компаратора логическая единица, которая открывает полевой транзистор Q1, через который заряжается аккумулятор. Этот же сигнал управляет индикатором работы от сети.
В случае пропадания или понижения сетевого напряжения, на выходе компаратора появляется логический ноль, полевой транзистор закрывается, прекращается заряд аккумулятора, индикатор работы от сети гаснет или приобретает другой цвет. Возможно также еще и появление звукового сигнала.
Заряженный аккумулятор через коммутирующий диод подключается к стабилизатору, и работа устройства продолжается в автономном режиме. Но чтобы уберечь аккумулятор от полного разряда, за его состоянием следит другой компаратор,- верхний по схеме.
Пока аккумулятор еще не разряжен напряжение на инверсном входе компаратора B выше опорного, поэтому на выходе компаратора низкий уровень, что соответствует нормальному заряду батарей. По мере разряда напряжение на делителе R3, R4 падает, и когда станет ниже опорного, на выходе компаратора установится высокий уровень, что укажет на разряд аккумулятора. Чаще всего такое состояние индицируется назойливым писком прибора.
Схема выдержки времени
Показана на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема выдержки времени на компараторе
Работает схема следующим образом. При нажатии на кнопку MOMENTARY SWITCH конденсатор C заряжается до напряжения источника питания. Это приводит к тому, что напряжение на входе IN+ становится выше, чем опорное напряжение на входе IN-. Поэтому на выходе OUT устанавливается высокий уровень.
После отпускания кнопки конденсатор начинает разряжаться через резистор R , и когда напряжение на нем, а, следовательно, на входе IN+ упадет ниже опорного напряжения на входе IN-, на выходе компаратора OUT установится низкий уровень. При повторном нажатии на кнопку все повторяется еще раз.
Опорное напряжение на входе IN- устанавливается с помощью делителя из трех резисторов и при указанных на схеме номиналах составляет 100мВ. Этим же делителем устанавливается и гистерезис компаратора (HYST) в пределах 50мВ. Таким образом, конденсатор C разряжается до напряжения 100 – 50 = 50 мВ.
Ток потребления самого устройства невелик, не более 35 микроампер, в то время, как выходной ток может достигать 40 мА.
Выдержка времени рассчитывается по формуле R * C * 4.6 сек. В качестве примера можно привести расчет с такими данными: 2MΩ * 10µF * 4.6 = 92 сек. Если сопротивление указано в мегаомах, емкость в микрофарадах, то результат получается в секундах. Но это только расчетный результат. Фактическое время будет зависеть от напряжения источника питания и от качества конденсатора, от его тока утечки.
Несколько простых схем на компараторах
Основой схем, которые будут рассмотрены далее, является градиентное реле, – схема, реагирующая не на присутствие какого-либо сигнала, а на скорость его изменения. Одним из таких датчиков является фотореле, схема которого показана на рисунке 8.
Рисунок 8. Схема фотореле на компараторе
Входной сигнал получается с делителя, образованного резистором R1 и фотодиодом VD3. Общая точка этого делителя через диоды VD1 и VD2 подключена к прямому и инвертирующему входу компаратора DA1. Таким образом, получается, что на прямом и инверсном входе одно и то же напряжение, т.е. разницы между напряжениями на входах нет. При таком состоянии на входах чувствительность компаратора близка к максимальной.
Чтобы изменить состояние компаратора потребуется разница напряжений на входах в единицы милливольт. Это примерно, как столкнуть мизинцем в пропасть, висящий на краю камень. А пока на выходе компаратора присутствует логический ноль.
Если вдруг изменилась освещенность, напряжение на фотодиоде тоже изменилось, предположим, что в сторону увеличения. Казалось бы, что вместе с этим изменится и напряжение на обоих входах компаратора, причем сразу. Поэтому, желаемой разницы напряжений на входах не получится, а, следовательно, и не изменится состояние выхода компаратора.
Все бы это было так, если не обращать внимания на конденсатор C1 и резистор R3. Благодаря этой RC цепочке, напряжение на инверсном входе компаратора возрастет с некоторой задержкой относительно прямого входа. На время задержки напряжение на прямом входе будет больше, чем на инверсном. В результате на выходе компаратора появится логическая единица. Эта единица будет удерживаться недолго, как раз на время задержки, обусловленной RC цепочкой.
Подобное фотореле используется в тех случаях, когда освещенность меняется достаточно быстро. Например, в охранных устройствах или датчиках готовой продукции на конвейерах, – устройство будет реагировать на прерывание светового потока. Еще один вариант, – это как дополнение к системе видеонаблюдения. Если направить фотодатчик на экран монитора, то он будет фиксировать изменение яркости и включать, например, звуковой сигнал, привлекая внимание оператора.
Рассмотренное фотореле очень просто превратить в датчик изменения температуры, например в пожарной сигнализации. Для этого достаточно заменить фотодиод на терморезистор. При этом номинал резистора R1 должен быть равен номиналу терморезистора (обычно указывается для температуры 25C°). Схема этого датчика показана на рисунке 9.
Рисунок 9. Схема датчика измерения температуры на компараторе
Принцип и смысл работы совершенно такой же, как у описанного выше фотодатчика. Но в этой конструкции показано и простейшее выходное устройство, – это тиристор VS1 и реле K1. При срабатывании компаратора открывается тиристор VS1, которое включает реле K1.
Поскольку тиристор в данном случае работает в цепи постоянного тока, то даже при окончании управляющего импульса от компаратора тиристор останется открытым, а реле K1 включенным. Для отключения реле придется нажать кнопку SB1 либо просто обесточить всю схему.
Вместо терморезистора можно применить магниторезистор, например СМ-1, реагирующий, на магнитное поле. Тогда получится магниточувствительное градиентное реле. Магниторезисторы в прошлом XX веке применялись в клавиатурах некоторых ЭВМ.
Если применить другие датчики, то на базе градиентного реле можно легко изготовить совсем другие устройства, реагирующие на изменение электрического поля, на звуковые колебания. С помощью пьезодатчиков легко создать датчики удара, и сейсмических колебаний.
Достаточно просто с помощью компараторов получается преобразование «аналогового» сигнала в «цифровой». Подобная схема показана на рисунке 10.
Рисунок 10. Схема преобразования «аналогового» сигнала в «цифровой» с использованием компаратора
На рисунке 11 показана такая же схема, только полярность выходных импульсов у нее обратная по отношению к предыдущей. Это достигается просто другим включением входов.
Обе схемы преобразуют амплитуду входного сигнала в ширину выходного импульса. Такое преобразование достаточно часто используется в различных электронных схемах. Прежде всего, в измерительных приборах, импульсных блоках питания, цифровых усилителях.
Частотный диапазон устройств находится в пределе 5…200КГц, амплитуда входного сигнала в диапазоне 2…2,5В. При использовании германиевого диода преобразование амплитуды в ширину импульса начинается с уровня 80…90мВ, в то время как для кремниевого диода это значение составляет 250…270мВ.
Рабочая полоса частот устройства определяется номиналами конденсаторов C1, C2. Собранное из исправных деталей устройство не требует наладки и установки порога срабатывания.
Чтобы управлять компонентами электронных схем, используют разные приспособления, которые могут осуществлять настройку и разделять сигналы. Для быстрого сравнения нескольких различных импульсов принято использовать специальный компаратор с однополярным питанием.
Основные технические характеристики
Компаратором называется устройство, сравнивающее несколько напряжений и силу электрического тока, выдающее окончательный силовой сигнал, указывающее на наибольшее значение параметров и одновременно делающее точный расчет их соотношения. У изделия существует несколько аналоговых входов и один цифровой выход. Чтобы визуально отобразить сигнал, в устройстве применяется световой индикатор.
Несколько десятилетий назад применялся лишь интегрированный компаратор электрического напряжения, который принято называть высокоскоростным. Ему необходимо некоторое дифференциальное напряжение в обозначенном диапазоне, которое намного меньше, чем напряжение питающей сети. Подобные устройства не пропускают остальные внешние сигналы, находящиеся за диапазоном питающей сети.
Типы компараторов
Специалисты разделяют компараторы на такие типы:
- аналоговые изделия;
- компараторы на операционном усилителе.
Аналоговый компаратор
В данное время довольно часто применяется аналоговый компаратор, который оснащен специальным транзисторным входом. Входящий потенциал сигнала в устройстве имеет значение не меньше 0,4 вольта и никогда не увеличивается. Изделие часто делают очень быстрого реагирования, из-за чего входящий сигнал будет меньше указанного диапазона, например, 0,3 вольта. Зачастую подобный диапазон может ограничиваться лишь определенным входным напряжением на транзисторе.
Компаратор на операционном усилителе
Кроме простого устройства, еще изготавливают видеоспектральный компаратор на операционном усилителе. Такое изделие обладает довольно точной балансировкой разницы входного напряжения и большим сопротивлением сигнала на выходе. Из-за такого свойства, компаратор на операционном усилителе можно применять в низко проводимых электрических цепях с маленьким напряжением.
Другими словами, операционный усилитель частоты способен работать совместно с открытым контуром и используется как изделие небольшой производительности. В процессе работы, не инвертирующий вход имеет более высокое значение напряжения, нежели инвертирующий вход. Большое усиление сигнала, который выходит из усилителя, провоцирует выход маленького напряжения на входе устройства.
Если не инвертирующий вход спадает меньше инвертирующего, то сигнал на выходе способен насытиться при отрицательном уровне напряжения, но он будет проводить электрические импульсы. Значение напряжения на выходе операционного усилителя может ограничиваться лишь напряжением питающей сети. Вся электрическая цепь усилителя работает только в линейном режиме при отрицательном значении обратной связи. Этому способствует специальный хорошо сбалансированный источник питания. Практически вся аппаратура, которая работает вместе с компаратором, оборудована функцией фиксации полученной информации. Подобные электронные принципы не способны работать в схемах, в которых применяются плохо проводящие радиоэлементы и разомкнутые контуры.
Недостатки устройства на операционном усилителе
У компаратора с операционным усилителем есть такие недостатки:
Подобные усилители способны работать только в линейном режиме с отрицательным значением обратной связи. Однако операционные усилители довольно долго восстанавливаются.- Практически все усилители оборудованы специальным конденсатором для внутренней компенсации, который способен ограничить скорость увеличения напряжения на выходе для сигналов с большой частотой. Другими словами, подобная схема может задержать электрический импульс.
- Устройство не обладает внутренним гистерезисом.
Обладая такими недостатками, компаратор для управления разными цепями применяется без операционного усилителя. Единственным исключением можно считать только генератор. Это устройство необходимо для различных процессов с ограничительным значением напряжения на выходе, которое способно осуществлять взаимодействие с цифровой логикой. Именно поэтому они применяются в разной термической аппаратуре. А также его используют, чтобы сравнивать электрические сигналы и сопротивления таких приборов, как стабилизатор или таймер.
Как работает компаратор
Чтобы наглядно показать принцип работы быстрого компаратора с гистерезисом, необходимо рассмотреть устройство с несколькими выходами.
Применяя аналоговый сигнал в первом входе, который принято называть не инвертируемым, и выходе, считающимся инвертируемым, изделие использует пару одинаковых сигналов разной полярности. Когда значение аналогового входа больше, чем у его выхода, то такой выход будет положительной полярности. Это должно включить подготовленный коллектор транзистора в его цепи, который и необходимо было запустить. Однако когда вход имеет отрицательную полярность, то электрический сигнал будет очень маленького значения, поэтому коллектор транзистора будет оставаться закрытым.
Почти всегда фазовый компаратор способен воздействовать на входы в схемах логических элементов, и поэтому работает по уровню напряжения питающей сети. Другими словами, это устройство способно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой формат. Подобный принцип работы помогает не уточнять значение нужного выходного сигнала, потому что устройство постоянно обладает захватом петли гистерезиса и конечным коэффициентом усиления.
Назначение и применение компаратора
Подобное изделие нашло применение в простых схемах персональных компьютеров, в которых необходимо быстро сравнивать сигналы напряжения входа. А также это может быть устройство для зарядки телефона или другого гаджета, электронные весы, датчик напряжения, микроконтроллер, таймер и подобные изделия. Иногда его используют в разных интегральных микросхемах, которые обязаны контролировать импульсы на входе, обеспечивать связь от источника импульса до места его назначения.
Наилучшим примером можно считать регулятор Шиммера, который способен работать в многоканальном режиме. Таким образом, он может сравнить большое количество электрических сигналов. А также этот компаратор используется для восстановления цифрового сигнала, который может искажать связь в зависимости от значения напряжения и расстояния до источника сигналов. Это устройство принято считать аналогом обычного компаратора, который обладает широкими функциональными возможностями и способен обеспечить измерение большого количества входящих электрических сигналов.
Сейчас выпускается специальный компаратор шероховатости. Подобное изделие может быстро определить качество поверхности, которая до этого момента была механически обработана. Использование такого устройства обосновано необходимостью определения допусков поверхности, которая подверглась обработке.